اصلاح خواص حرارتی و هیدرولیکی خاک با استفاده از نانوسیلیکا آیروژل جهت کاهش اثر یخبندان بر روسازی راه

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشکده مهندسی عمران، دانشگاه صنعتی اصفهان، اصفهان، ایران

2 دانشکده مهندسی نساجی، دانشگاه صنعتی اصفهان، اصفهان ، ایران

چکیده

یخبندان در خاک در مناطق سردسیر، مهم‌ترین عامل خرابی و کاهش کارایی روسازی راه‌ها و سایر سازه‌های خاکی می‌باشد. هدف از این تحقیق، معرفی روشی جدید برای کاهش اثرات نامطلوب یخبندان در خاک است. در این روش، یک عایق حرارتی سازگار با رطوبت برای ممانعت از نفوذ هوای سرد در خاک بستر تهیه شد. برای تهیه‌ این عایق، از مخلوط خاک و سیلیکا آیروژل که یک نانومواد با هدایت حرارتی بسیار کم و آبگریزی فوق­العاده زیاد می‌باشد استفاده گردید. سیلیکا آیروژل با نسبت‌های 5/0، 1 و 2 درصد وزنی با خاک مخلوط شد و هدایت حرارتی، آبگریزی، نفوذپذیری، درصد رطوبت در حالت اشباع و دوام در برابر چرخه‌های انجماد- ذوب این مخلوط­ها مطالعه شد. در این مطالعه، مشاهده شد که به دلیل آبگریز بودن سیلیکا آیروژل، مخلوط‌های خاک- آیروژل نیز به طور چشم‌گیری آبگریز می‌شوند و جذب آب در آنها به طور قابل توجهی کاهش می‌یابد. به طوری‌ که میزان رطوبت در حالت اشباع در خاک بدون سیلیکا آیروژل حدود چهار برابر میزان رطوبت در مخلوط خاک- آیروژل می‌باشد. به همین جهت، مرطوب شدن مخلوط‌های خاک- آیروژل تأثیر چندانی در افزایش هدایت حرارتی آنها ندارد. از سوی دیگر، مشاهده شد که نفوذپذیری خاک بدون سیلیکا آیروژل حدود 21 برابر نفوذپذیری مخلوط خاک- آیروژل است، که نشان­دهنده کاهش چشم‌گیر نفوذپذیری مخلوط‌های خاک- آیروژل می‌باشد. به­علاوه، چرخه‌های اشباع شدن- خشک شدن و انجماد- ذوب و همچنین قرار گرفتن در معرض جریان‌های سیلابی، هیچ تأثیری بر هدایت حرارتی مخلوط‌های خاک- آیروژل نداشت. با توجه به ویژگی‌های حرارتی و هیدرولیکی مخلوط‌های خاک- آیروژل، می‌توان آنها را به عنوان عایق حرارتی سازگار با رطوبت، برای مقابله با اثرات نامطلوب یخبندان در خاک، مناسب دانست و معرفی کرد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله [English]

Improvement of Thermal and Hydraulic Properties of Soil Using Nano Silica Aerogel to Reduce Frost Effects on Pavement

نویسندگان [English]

  • Mohsen Nourmohamadi 1
  • Sayyed Mahdi Abtahi 1
  • Hamid Hashemolhosseini 1
  • Sayyed Mahdi Hejazi 2
1 Department of Civil Engineering. Isfahan University of Technology, Isfahan., Iran.
2 Department of Textile Engineering, Isfahan University of Technology, Isfahan, Iran.
چکیده [English]

Soil frost in cold regions is the most important factor in the deterioration and reduction of pavement efficiency of roads and other soil-based structures. The present work aims at introducing a novel method to reduce the adverse effects of frost in the soil. In the proposed method, a moisture-compatible thermal insulation was prepared to prevent the penetration of cold air in the subgrade. Silica aerogel nanomaterial with extremely low thermal conductivity and high hydrophobicity was mixed with soil to provide the thermal insulator. Silica aerogel was mixed with soil in ratios of 0.5, 1 and 2% and the properties of these mixtures such as thermal conductivity, hydrophobicity, permeability, moisture content in saturated state and durability against freeze-thaw cycles were studied. In this study, it was observed that due to the hydrophobicity of silica aerogel, soil-aerogel mixtures also become significantly hydrophobic. For this reason, their water absorption is significantly reduced; So that the moisture content in the saturated state in the soil without silica aerogel is about 4 times the moisture content in the soil-aerogel mixture. As a result, wetting soil-aerogel mixtures do not have much effect on increasing their thermal conductivity. On the other hand, it was observed that the permeability of the soil without silica aerogel is about 21 times the permeability of the soil-aerogel mixture, which indicates a significant decrease in the permeability of the soil-aerogel mixtures. Moreover, wetting-drying and freezing-thawing cycles as well as exposure to water flow had no effect on the thermal conductivity of the soil-aerogel mixtures. Considering the set of the thermal and hydraulic characteristics of the soil-aerogel mixtures, they can be introduced as a suitable choice for use on the soil surface as a moisture-compatible thermal insulation in order to deal with the adverse effects of frost in the soil.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Soil frost
  • Permeability
  • Freeze-thaw cycles
  • Silica Aerogel
  • Pavement

مراجع

روستایی، م. و قضاوی، م. 1391. "اثر سیکل‌های یخبندان و ذوب یخ بر مقاومت خاک ریزدانه مسلح شده بوسیله الیاف پلی‌پروپیلن و لایه‌های ژئوتکستایل". رساله دکتری تخصصی، دانشگاه صنعتی خواجه نصیرالدین طوسی، تهران.
زیلایی، م. و غنی‌زاده، ع. 1400. "مقاومت و دوام مصالح باطله سنگ آهن تثبیت شده با سیمان به عنوان مصالح اساس: مورد مطالعاتی معدن گل‌گهر". مهندسی زیرساخت‌های حمل و نقل، 7(2): 101-122.
غنی‌زاده، ع.، ذوالفقاری، م. و عباسلو، ح. 1399. "مشخصات مکانیکی و دوام بستر رسی تثبیت شده با ترکیب باطله سنگ آهن و آهک شکفته". مهندسی زیرساخت‌های حمل و نقل، 6(3): 69-88.
گلچین‌فر، ن. و عباسی، ن. 1392. "اثر ذوب و یخبندان‌های مکرر بر ویژگی‌های مکانیکی خاک‌های رسی تثبیت شده با آهک و مسلح شده با الیاف پلی­پروپیلن". مهندسی عمران امیرکبیر، 45(2): 1-12.
Aegerter, M. A., Leventis, M. and Koebel, M. 2009. “Aerogels Handbook: Advances in sol-gel derived materials and technologies”. Springer.
Aldaood, A., Bouasker, M. and Mukhtar, M. 2014. “Impact of freeze-thaw cycles on mechanical behaviour of lime stabilized gypseous soils”. Cold Reg. Sci. Technol., 99: 38-45. http://dx.doi.org/10.1016/j.c oldregions.2013.12.003
Aldaood, A., Bouasker, M. and Mukhtar, M. 2016. “Effect of water during freeze-thaw cycles on the performance and durability of lime treated gypseous soil”. Cold Reg. Sci. Technol., 123: 155-163. https://doi.org/10.1016/j.coldregions.2015.12.008
Arabi, M., Vild, S. and Rowlands, G. O. 1989. “Frost resistance of lime-stabilized clay soil”. Transport. Res. Record, 1219: 93-102. http://onlinepubs.trb.org/Onlinepubs/trr/1989/1219/1219-009.pdf
Brandon, T. L. and Mitchell J. K. 1989. “Factors influencing thermal resistivity of sands”. ASCE, J. Geotech. Eng., 115(2): 1683-1698. https://doi.org/10.1061/(ASCE)07339410(1989)115:12(1683)
Chamberlain, E. J., Erikson, A. E. and Benson, C. H. 1995. “Effects of frost action on compacted clay barriers”. Geoenviron., 2000(1): 702-717.
Dawson, A. 2009. “Water in road structures: Movement, drainage and effects”. Springer.
Fang, H. Y. 1991. “Foundation engineering handbook”. Chapman and Hall.
Freitag, D. R. and McFadden, T. 1997. “Introduction to cold regions engineering”. New York: ASCE Press.
Gandahl, R. 1988. “Polystyrene foam as a frost protection measure on national roads in Sweden”. Transport. Res. Record, 1146: 1-9. http://onlinepubs.trb.org/Onlinepubs/trr/1987/1146/1146-001.pdf
Gowthaman, S., Nakashima, K. and Kawasaki, S. 2020. “Freeze-thaw durability and shear responses of cemented slope soil treated by microbial induced carbonate precipitation”. Soils Found., 60: 840-855. https://doi.org/10.1016/j.sandf.2020.05.012
Gullu, H. and Khudir, A. 2014. “Effect of freeze–thaw cycles on unconfined compressive strength of fine-grained soil treated with jute fiber, steel fiber and lime”. Cold Reg. Sci. Technol., 106-107: 55-65. http://dx.doi.org/10.1016/j.coldregions.2014.06.008
Gurav, J. L., Jung, I. K., Park, H., Kang, E. S. and Nadargi, D. Y. 2010. “Silica aerogel: Synthesis and applications”. J. Nanomater., Article ID: 409310. https://doi.org/10.1155/2010/409310
Hall, M. R. 2010. “Materials for energy efficiency and thermal comfort in buildings”. Woodhead.
Hillel, D. 1982. “Introduction to soil physics”. Academic Press.
Jamshidi, R., Lake, B., Gunning, P. and Hills, C. 2016. “Effect of freeze/thaw cycles on the performance and microstructure of cement-treated soils”. ASCE, J. Mater. Civ. Eng., 28(12). https://doi.org/10.1061/( ASCE)MT.1943-5533.0001677
Jesu, J., Baldovino, A., Izzo, R. L. and Rose, J. L. 2020. “Effects of freeze-thaw cycles and porosity/cement index on durability, strength and capillary rise of a stabilized silty soil under optimal compaction conditions”. Geotech. Geol. Eng., 39: 481-498. https://doi.org/10.1007/s10706-020-01507-y
Koorevaar, P., Menelik, G. and Dirksen, C. 1983. “Elements of soil physics”. Elsevier.
Lai, Y., Zhang, S. and Yu, W. 2012. “A new structure to control frost boiling and frost heave of embankments in cold regions”. Cold Reg. Sci. Technol., 79-80: 53-66. https://doi.org/10.1016/j.c oldregions.2012.04.002
Li, Y., Ling, X., Su, L., An, L., Li, P. and Zhao, Y. 2018. “Tensile strength of fiber reinforced soil under freeze-thaw condition”. Cold Reg. Sci. Technol., 146: 53-59. https://doi.org/10.1016/j.coldregions .2017.11.010
Li, Z., Liu, S., Wang, L. and Zhang, C. 2013. “Experimental study on the effect of frost heave prevention using soil bags”. Cold Reg. Sci. Technol., 85: 109-116. http://dx.doi.org/10.1016/j.coldregions. 2012.08.008
Liu, C., Lv, Y., Yu, X. and Wu, X. 2020. “Effects of freeze-thaw cycles on the unconfined compressive strength of straw fiber-reinforced soil”. Geotext. Geomembranes, 48(4): 581-590. https://doi.org/10.1016 /j.geotexmem.2020.03.004
Lu, Y., Liu, S., Zhang, Y., Li, Z. and Xu, L. 2020. “Freeze-thaw performance of a cement-treated expansive soil”. Cold Reg. Sci. Technol., 170: 102926. https://doi.org/10.1016/j.coldregions.2019.102926
MacMaster, J. B. and Wrong, G. A. 1988. “The role of extruded expanded polystyrene in Ontario's provincial transportation system”. Transport. Res. Record, 1146: 10-22. http://onlinepubs.trb.org/Onlin epubs/trr/1987/1146/1146-002.pdf
Mitchel, K. J. and Soga, K. 2005. “Fundamentals of soil behavior”. Wiley.
Moussa, A., Shalaby, A., Kavanagh, L. and Maghoul, P. 2019. “Use of rigid geofoam insulation to mitigate frost heave at shallow culvert installations”. J. Cold Reg. Eng., 33(3). https://doi.org/10.1061/(ASCE)CR .1943-5495.0000185
Nguyen, T. T. H., Cui, Y. J., Ferber, V., Herrier, G., Ozturk, T., Plier, F., Puiatti, D., Salager, S. and Tang, A. M. 2019. “Effect of freeze-thaw cycles on mechanical strength of lime-treated fine-grained soils”. Transport. Geotech., 21: 100281. https://doi.org/10.1016/j.trgeo.2019.100281
Nosrati, R. H. and Berardi, U. 2018. “Hygrothermal characteristics of aerogel-enhanced insulating materials under different humidity and temperature conditions”. Energy Build., 158: 698-711.
Nourmohamadi, M., Abtahi, M., Hashemolhosseini, H. and Hejazi, M. 2022. “Control of frost effects in susceptible soils using a novel sandwich geocomposite composed of geotextile-soil-nano silica aerogel-geotextile liners”. Transport. Geotech., 33: 100718.  https://doi.org/10.1016/j.trgeo.2022.100718
Ono, T. and Kawabe, K. 2006. “Frost susceptibility of stabilized soils”. 13th International Conference on Cold Regions Engineering, Orono, Maine, United States. https://doi.org/10.1061/40836(210)36
Orakoglu, M. E. and Liu, J. 2017. “Effect of freeze-thaw cycles on triaxial strength properties of fiber-reinforced clayey soil”. KSCE J. Civ. Eng., 21: 2128-2140. https://doi.org/10.1007/s12205-017-0960-8
Riffat, S. B. and Qiu, G. 2013. “A review of state-of-the-art aerogel applications in buildings”. Int. J. Low-Carbon Technol., 8: 1-6. https://doi.org/10.1093/ijlct/cts001
Sahlabadi, S. H., Bayat, M., Mousivand, M. and Saadat, M. 2021. “Freeze-thaw durability of cement-stabilized soil reinforced with polypropylene/basalt fibers”. ASCE, J. Mater. Civ. Eng., 33(9). https://doi.org/10.1061/(ASCE)MT.1943-5533.0003905
Salomone, L. A., Kovacs, W. D. and Kusuda, T. 1984. “Thermal performance of fine-grained soils”. J. Geotech. Eng., 110(3): 359-374. https://doi.org/10.1061/(ASCE)07339410(1984)110:3(359)
Sun, X., L., Miao, Wang, H., Chen, R. and Guo, X. 2021. “Improvement of characteristics and freeze-thaw durability of solidified loess based on microbially induced carbonate precipitation”. Bull. Eng. Geol. Environ., 80: 4957-4966. https://doi.org/10.1007/s10064-021-02241-2
Tebaldi, G., Orazi, M. and Orazi, U. S. 2016. “Effect of freeze-thaw cycles on mechanical behavior of lime-stabilized soil”. ASCE, J. Mater. Civ. Eng., 28(6). https://doi.org/10.1061/(ASCE)MT.19435533.000 1509
Torgal, F. P., Diamanti, M. V., Nazari, A. and Granqvist, G. 2013. “Nanotechnology in eco-efficient construction”. Woodhead.
Torgal, F. P., Diamanti, M. V., Nazari, A., Granqvist, G., Pruna, A. and Amirkhanian, S. 2019. “Nanotechnology in eco-efficient construction”. Woodhead.
Zhang, Y., Johnson, A. and White, D. J. 2016. “Laboratory freeze–thaw assessment of cement, fly ash, and fiber stabilized pavement foundation materials”. Cold Reg. Sci. Technol., 122: 50-57. http://dx.doi.org/10.1016/j.coldregions.2015.11.005

فایل ها

سابقه مقاله

  • تاریخ دریافت: 10 بهمن 1401
  • تاریخ بازنگری: 25 بهمن 1401
  • تاریخ پذیرش: 06 اسفند 1401

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار